Интегральные ключи на различных базовых элементах.
В электронных схемах, реализующих функции логических элементов, транзистор является активным элементом, то есть обладает усилительными способностями. Усилители могут работать в режимах классов А, В, С, D. Режимы А, В, С в основном используются в схемах аналоговой электроники - это усилители, генераторы, смесители, модуляторы, демуляторы и т.п. Режим D используется в электронных ключах, т.е. когда активный элемент (транзистор) - открыт и находится в состоянии насыщения, или закрыт, т.е. находится в состоянии отсечки, которое характеризуется тем, что оба перехода эмиттер - база и база - коллектор включены в обратном направлении, следовательно имеют большое сопротивление и ток, протекающий через них (особенно это относится к транзисторам на основе Si) можно пренебречь.
На входной ВАХ транзистора эти два состояния отметим точками А и Б
Из рассмотрения данной характеристики следует:
1 Для надежного запирания транзистора точка А должна соответствовать практически полному отсутствию 1б.
2 Uотпирания для транзисторов имеет величину:
для германиевых 0,1 ÷0,15 В для кремниевых 0,5 ÷ 0,6 В.
3 UбЭ насыщения соответствует такому режиму когда напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, то есть переход Б - Э и переход Б - К включены в прямом направлении и транзистор находится в состоянии насыщения.
В упрощенном виде схема для быстрого переключения транзистора из режима насыщения в режим отсечки может быть представлен в виде:
В верхнем положении ключа S переход Б - Э включен в прямом направлении и ток Iбэ определяется в ост ном величиной Rб. Электроны из области эмиттера легко преодолевают область, попадают в область коллектора, где ускоряются электрическим полем Uпит+ перебрасываются в область коллектора, таким образом переход Б-К также представляет малое
сопротивление и падение напряжения ипит происходит в основном на RK. т.е. переход Б - К также смещен в прямом направлении и область коллектора насыщена электронами.
При переводе ключа S в нижнее положение оба перехода оказываются смещенными в обратном направлении, но область базы насыщена ранее поступившими в нее электронами, в данном случае неосновными носителями, и необходимо некоторое время дл их рассасывания. Это вызывает задержку переключения транзистора и i личина этой задержки определяется параметрами Сбарьернаяя и Сдиффуозная
В результате при подаче на вход ключа идеального прямоугольного импульса имеется запаздывание:
называются динамическими и характеризуют быстродействие ключевых схем. В качестве ключевых схем в электронике применяются так называемые базовые элементы, которые подразделяются по конструктивно - технологическим признакам.
2. Базовые элементы цифровой схемотехники. В настоящее время разработано и используется значительная номенклатура базовых элементов конструктивное исполнение и параметры которых определяются применяемой технологией изготовления. Целесообразно рассматривать схемы базовых элементов в хронологическом порядке по мере их возниковения.
2.1. Базовый элемент диодно - транзисторной логики (микросхемы серий 202; 215; К217; 221; К511; 104; 109; 128 и др.). Для микросхем перечисленных серий базовым элементом является элемент И - НЕ (элемент Шеффера), который реализует операцию логического умножения с отрицанием. Электрическая схема базового элемента
В данной схеме диоды VD1 - VD3 образуют схему коньюнктора (умножение), диоды VD4÷VD5 схему передачи с коньюнктора на инвертор VT1. Диоды VD4, VD5 обеспечивают надежное запирание транзистора VT1, если на одном из входов х будет низкое напряжение U0.
Принцип работы: если х1, х2, х3 = 1 то от Uип1 через VD4÷ VD5 течет ток смещения в базу VT1, открывающий его в насыщение, в результате на выходе VT1 напряжение U0 = 0В (низкий уровень).
Если хотя бы на одном из х имеется «0» (т.е. низкое напряжение), то ток от Uип1 через VD4, VD5 не течет, значит VT1 закрыт и на его выходе напряжение U1 (высокий уровень). Следовательно при выполнении операции xl*x2*x3 = 0 происходит инверсия выходного сигнала (операция НЕ).
Такой базовый элемент отличается простотой, но имеет низкую помехоустойчивость, низкую нагрузочную способность и недостаточное быстродействие. Для преодоления этих недостатков разработан усовершенствованный базовый элемент с инвертором - формирователем, обладающий более высокими эксплуатационными качествами, например был разработан базовый элемент ДТЛШ на диодах и транзисторах Шотки с переходами металл - полупроводник, отличающийся более высоким быстродействием.
2.2. Базовый элемент ТТЛ транзисторно - транзисторной логики появился в результате замены матрицы диодов элемента ДТЛ многоэмиттерным транзистором (МЭТ) (микросхемы серий 133, 155, К155, КМ155, повышенного быстродействия 130, 131, 599, микромощные 134, 158; ТТЛШ - 530, К531, 1531,1533 и микромощные Шотки К555, 533).
В ТТЛ микросхемах многоэмиттерный транзистор имеет несколько эмиттеров, расположенных так что прямое взаимодействие между ними невозможно потому что они разделены пассивными участками базы, общей для всех эмиттеров. Упрощенная схема базового элемента ТТЛ:
И для обеспечения более высоких эксплуатационных параметров схема принимает вид:
Этот базовый элемент также следует логике работы элемента Шеффера. Транзисторы VT3 - VT4 представляют собой каскад усилителя - инвертора. Возможности этого базового элемента ограничены по входу коэффициентом объединения n = 8. Увеличение количества входов ухудшает динамические параметры. Иногда базовый элемент ТТЛ серий выполняется с открытым коллектором т.е. для появления сигнала на выходе надо этот выход через RH соединить с Uпит- Такой прием позволяет повысить функциональные возможности ТТЛ серий методом «монтажной логики», например для включения индикаторов на светодиодах.
С целью повышения быстродействия и уменьшения потребляемой мощности РПотр используется технология Шотки, т.е. м/с ТТЛШ.
2.3.Базовый логический элемент ЭСЛ - эмиттерно - связанная логика, а также модификации: ЭСТЛ и переключатели тока ПТТЛ относятся к потенциальным элементам. Представлены сериями м/с: К137, К187, К229, 100, К500, 500.
В отличие от ДТЛ и ТТЛ базовый элемент ЭСЛ реализует функцию ИЛИ - НЕ (стрелка Пирса) и имеет два выхода: y1 и у2, причем: у, = ; у2 = х, +х2 +х3 т.е. осуществляет логическое сложение. Схема базового элемента ЭСЛ имеет вид:
В основу работы ЭСЛ элементов положено использование схемы токового переключателя. Т.е. если запирается транзистор VT1, или VT2, или VT1 + VT2, то отпирается транзистор VT3 и наоборот. При этом общий ток, потребляемый базовым элементом не изменяется, а транзисторы в ЭСЛ схемах не попадают в режим насыщения (а постоянно находятся в области активного режима усиления) т.е. отсутствуют процессы заряда - разряда
Для улучшения помехоустойчивости ЭСЛ ЦИС применяется строби- рование т.е. когда все переключения происходят при наличии логич. 1 на входе С.
Модификации базового элемента ЭСЛ направлены на улучшение эксплуатационных параметров и повышения логических возможностей. Это достигается за счет многоуровневого, древовидного включения переключателей тока.
Логические элементы на МДП (МОП) транзисторах.
Для изготовления интегральных схем могут использоваться также полевые транзисторы:
1. с управляемым каналом;
2. с изолированным каналом;
3. с индуцированным каналом.
Так как токи управления (по затвору) потребляемые полевыми транзисторами во много раз меньше чем токи в биполярных транзисторах, то МДП (МОП) микросхемы отличаются малой мощностью, потребляемой входной цепью, вследствие чего возрастает коэффициент разветвления по выходу
(Кразв >> 10 ÷20). Технология изготовления МДП структур также более прогрессивна, отсюда низкая стоимость + малая потребляемая мощность МДП (МОП) структур.
Однако по быстродействию логические элементы на МОП структурных уступают схемам на биполярных транзисторах т.к. имеют сравнительно большие входные емкости на перезарядку которых затрачивается определенное время. К тому же выходное сопротивление у открытого МОП транзистора много больше чем у биполярного, что увеличивает время перезарядки емкостей. По уровню питания ЛЭ на МДП (МОП) транзисторах подразделяются на низкопороговые
Un = 5÷ 9В и высокопороговые для которых Uпит 12 ÷ 27В. Потребляемая мощность (на 1 элемент) Рпот = 0,4 ÷ 5мВт tзд.ср, = 20 ÷ 200нс. U0 ≤1 В; U1 ≥7В.
межэлектронных емкостей. За счет этого удается поднять быстродействие почти на порядок, но при этом сильно возрастает потребляемая мощность. |
Отличительной особенностью МДП структур является возможность использовать вместо резисторов структуру МДП транзистора, у которого затвор замыкается на сток, а сопротивление цепи сток - исток обеспечивает требуемый номинал резисторной нагрузки. Это сокращает количество
необходимых для изготовления логического элемента технологических операций, значительно сокращает стоимость изделий и улучшает надежность. Схема базового элемента МДП обычно строится на ключах с динамической нагрузкой и состоит из одного нагрузочного и нескольких управляющих транзисторов.
В схеме ИЛИ управляющие транзисторы включены параллельно:
На МДП (МОП) структурах выполнены следующие отечественные
серии:
К144, К145,К161,КР186, КР188, К501, К502, КР505, К512, К552. Высокая технологичность МДП структур позволяет выполнять транзисторы с идентичными параметрами с каналами проводимости различного типа. Такие транзисторы называются взаимодополняющими или с дополнительной симметрией, но наибольшее применение получил термин комплементарные транзисторы. Для изготовления микросхем как правило используются комплементарные транзисторы
с индуцированным каналом. Применяемая аббревиатура буквенных обозначений КМОП, КМДП + TJI.
В таких схемах транзисторы с разной электропроводностью каналов выполняют роль ключей. При напряжении на затворах большем порогового, для транзисторов с каналом определенного типа соответствующий транзистор отперт, а другой заперт. При другом значении большем порогового для транзисторов с электропроводностью противоположного типа отпертый и запертый транзисторы меняются местами. В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП почти не потребляют энергии. Для них также характерна: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания, большое входное и сравнительно малое выходное сопротивление, хорошая помехоустойчивость легкость согласования с микросхемами других серий.
Достоинства мс КМОП
1. малая потребляемая мощность (< 1мкВт при f = 2МГц)
2. большой диапазон Uпит
3. большая нагрузочная способность (n ≥ 50)
Недостатки
1.большое время задержки (до 100 нc)
2. повышенное входное сопротивление (до 1кОм)
3. разброс статических и динамических параметров.
При разработке устройств на микросхемах руководствуются их характеристиками и параметрами. К характеристикам относятся:
1.Входная характеристика IBX = fi(UBX)
2.Передаточная характеристика UBbIX = f2(UBX)
3.Выходная характеристика 1ВЬ1Х = f3(UBbIX).
К статическим параметрам относят: Напряжение логической единицы U1
Напряжение логического нуля U0
Пороговое напряжение Uпop
Входные токи I'BX, I°вх Выходные токи I'вых, I°вых Напряжение помехи Unoмex
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Мощность потребления Р°п; Р'п; Рсрп (на 1 элемент)
Характеристики источника питания
Диапазон температур
Коэффициент объединения по входу
Коэффициент разветвления по выходу.
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 2769;